钢--混凝土组合梁高强度螺栓连接件受力性能研究

摘要

高强度螺栓连接件具有连接紧密、可拆卸、耐疲劳等优点，既可用于组合梁桥中混凝土板与钢梁的装配式连接，又能实现在役桥梁的加固改造，是当前组合梁剪力连接件研究中的一个热点。然而，目前对于组合梁中的高强度螺栓连接件的研究较少，缺乏完整的理论体系与计算方法指导工程设计，在很大程度上限制它的应用与推广。本文受国家重点研发项目（2016YFC0701202）的资助，对高强度螺栓连接件的受力性能进行研究，主要研究内容及结论如下：　　（1）进行了12个高强度螺栓连接件推出试验，研究了预紧力、预留孔径对高强度螺栓连接件抗剪性能的影响。结果表明：高强度螺栓连接件的受力过程分为摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、螺栓直接传力的弹性阶段和弹塑性阶段4个阶段；预紧力对初始滑移荷载的影响显著，对极限承载力的影响较小；预留孔径对连接件的滑移阶段起主要控制作用，预留孔径越接近于螺杆直径，则连接件的滑移阶段越短，极限滑移越小。　　（2）采用有限元方法分析了混凝土强度、混凝土板预留孔径、钢混交界面摩擦系数、高强度螺栓直径、强度及预紧力等6个参数对高强度螺栓连接件极限承载力及极限滑移影响。结果表明：在推出试验过程中，高强度螺栓处于拉弯剪复合受力状态，其极限承载力主要由自身抗剪承载力、钢梁与混凝土板间的滑动摩擦力两部分构成，前者主要受连接件截面面积、极限抗拉强度的影响，后者则与预紧力、钢混交界面摩擦系数有关；预紧力的增长会使滑动摩擦力显著增大，但同时会导致连接件自身抗剪承载力相对于纯剪状态将有一定程度减小，因此，在进行连接件极限承载力计算时，需考虑拉力与剪力的相互影响；连接件极限滑移也由连接件自身变形及预留孔径尺寸两部分构成，前者随着连接件直径及极限抗拉强度的增加而增长，后者则与混凝土板预留孔径、钢梁预留孔径线性相关。基于已有试验数据及有限元分析结果，提出拉剪复合受力状态下高强度螺栓连接件极限承载力及极限滑移计算公式。　　（3）基于已有的高强度螺栓连接件抗剪疲劳试验数据，结合有限元数值模拟，研究了预紧力与预留孔径对高强度螺栓连接件疲劳性能的影响。研究结果表明：预紧力的增加会提高连接件的疲劳寿命，故而在实际工程中，可适当增加施加在螺杆上的预紧力，避免高强度螺栓连接件过早出现滑移和疲劳破坏；预留孔径的增加会导致连接件疲劳寿命减小，故而在实际工程中，应尽量减小预留孔径以保证连接件的疲劳寿命，但同时为了方便高强度螺栓连接件的安装，可先设置合理预留孔径，后采用压浆等方式进行填孔。

目录

主要符号

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 钢-混凝土组合梁剪力连接件研究现状

1.2.1 连接件的类型与应用

1.2.2 栓钉连接件的国内外研究现状

1.2.3 PBL栓连接件的国内外研究现状

1.2.4 槽钢连接件的国内外研究现状

1.2.5 高强度螺栓连接件的国内外研究现状

1.3 研究内容及方法

1.3.1 目前研究中存在的问题

1.3.2 本文的主要工作与研究思路

2 高强度螺栓连接件推出试验

2.1 概述

2.2 高强度螺栓连接件推出试验方案

2.2.1 推出试验的设计与制作

2.2.2 加载与测试方案

2.3 试验结果分析

2.3.1 试验现象与破坏模式

2.3.2 高强度螺栓连接件荷载-滑移曲线

2.3.3 预紧力及预留孔径对荷载-滑移曲线的影响分析

2.4 本章小结

3 高强度螺栓连接件静力性能有限元数值分析

3.1 概述

3.2 模型的建立与验证

3.2.1 模型概述

3.2.2 本构关系

3.2.3 模型验证

3.3 高强度螺栓连接件破坏全过程分析

3.4 极限承载力及极限滑移影响参数分析

3.4.1 混凝土强度的影响

3.4.2 混凝土板预留孔径的影响

3.4.3 钢与混凝土交界面摩擦作用的影响

3.4.4 螺栓直径的影响

3.4.5 螺栓强度的影响

3.4.6 预紧力的影响

3.5 本章小结

4 高强度螺栓连接件承载力计算方法

4.1 概述

4.2 极限承载力计算方法

4.2.1 现有规范中极限承载力计算方法

4.2.2 建议的极限承载力计算方法

4.2.2 计算方法与已有规范对比

4.3 极限滑移计算方法

4.3.1 建议的极限滑移计算方法

4.3.2 计算方法的验证

4.4 本章小结

5 高强度螺栓连接件疲劳性能研究

5.1 概述

5.2 现有疲劳性能理论研究方法

5.2.1 疲劳应力和疲劳强度

5.2.2 应力-寿命曲线

5.2.3 疲劳损伤累积

5.3 现行规范对高强度螺栓连接件疲劳寿命的适用性分析

5.3.1 现行规范中疲劳寿命的计算方法

5.3.2 高强度螺栓疲劳寿命试验值与规范设计值对比

5.3.3 高强度螺栓连接件的S-N曲线

5.4 基于主应力方法的高强度螺栓疲劳设计建议

5.4.1 有限元模型的建立

5.4.2 基于主应力方法的S-N曲线

5.4.3 预紧力对高强度螺栓疲劳寿命的影响

5.4.4 预留孔径对高强度螺栓疲劳寿命的影响

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 本文创新点

6.3 研究展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

B. 学位论文数据集

致 谢